额敏河干流县域段防洪堤地质问题及抗冻胀设计

徐 艳

（新疆额敏县水管总站 新疆 额敏 834600）

1 概况

额敏河发源于塔尔巴哈台山和吾尔喀夏依山交汇处，向西南流经裕民县，塔城市，注入哈萨克斯坦的阿拉湖，绵延300多公里，年径流量16亿m3，也是塔城盆地最大的水系。

额敏县行政隶属于新疆塔城地区，东经83°24′～85°10′，北纬46°09′～47°03′，东以白杨河为界与和布克赛尔蒙古自治县相邻，南以乌雪特河为界与托里县相连，西以锡伯特河为界与塔城市相接，北与哈萨克斯坦共和国接壤。全县总面积9531.9km2，下辖有11个乡，1个镇，5个农牧场。额敏县位于额敏河流域中上游北岸，所处城区段年径流量约为2.2亿m3。大的地貌类型属山间沉积盆地，四周高，中间低。

每年的春末夏初，额敏洪水频发，而尤以暴雨融雪混合型洪水为主，由于洪水洪量大，而形成灾害性洪水，直接对城镇人民的生命财产形成严重威胁，给社会经济造成巨大损失。为此，当地政府和城镇居民采取了相应的工程措施，曾先后在额敏河也木勒牧场段、城区段修建了防洪堤以及有一定标准的公路桥，但是干砌石、浆砌石或土堤材料的防护堤在水流淘刷和冻胀破坏下毁损严重，目前洪水威胁仍然存在，局部甚至成为险段，防洪工程体系很不完善。

2 地质概况

针对额敏河也木勒牧场段、城区段左右两岸防洪堤现状，主要加固内容包括：修建额敏河干流也木勒牧场段0+000～5+200左右岸防洪堤、额敏河干流城区段5+200～6+300左右岸，共计12.6km防洪堤建设工程，并进行必要的河道平整。

2.1 左岸工程地质条件

在勘探深度5m内，地层岩性分为4层：

第①-1层——杂填土：厚度0.8m～1.5m，该层分布不均，只在0+300～1+100段见到；土黄色、灰褐色，稍湿～湿。上部为建筑和生活垃圾，下部以砾石为主，含碎砖块和有机物等。不能利用，建议清除。

第①-2层——低液限粉土：厚度0.3m～0.5m，该层分布不均，只在1-100～0-800段见到；土黄色，稍湿～湿，稍密～中密，干强度低，手捻有砂粒，无韧性，捻面有光泽。天然含水率13.5%～18.1%，天然密度 1.75～1.80g/cm3，液限 23.6%～25.4%，塑限14.8%～16.3%，塑性指数8.8～9.1，粘粒含量 8.0%～19.0%，渗透系数 2.3×10-4cm/s～4.5×10-4cm/s。该层承载力值110kPa，压缩模量6.0MPa。无腐蚀性，属冻胀性土。

第②层——砾石：埋深0.0～1.0m，厚度0.6m～2.0m。青灰色，松散～稍密，湿，天然密度2.01g/cm3～2.14g/cm3，天然含水率1.6%～4.5%。粒径一般为5mm～20mm，最大为80mm～85mm，母岩成份为凝灰岩、花岗岩、砂砾岩等，呈棱角、次棱角状。粘聚力0kPa，内摩擦角32°，渗透系数1.5×10-2cm/s～3.1×10-2cm/s，强透水性。承载力值160kPa，变形模量12MPa。

第③层——粉土质砾：埋深1.0m～2.0m，最大揭露厚度4.0m，未揭穿。青灰色，稍密，湿，天然密度 1.95g/cm3～2.10g/cm3，天然含水率6.2%～8.8%。粘聚力5kPa，内摩擦角28°，渗透系数4×10-3cm/s～6×10-3cm/s，中等透水性。承载力值170kPa，变形模量14MPa。

河水深0.3m～0.7m，水面低于河床0.5m～1.0m；地下水位埋深0.1m～1.5m，属孔隙型潜水，主要受河水与降水影响。河水补给地下水。

2.2 右岸工程地质条件

在勘探深度5m内，地层岩性分为4层：

第①-1层——杂填土：厚度0.7m～1.3m，该层分布不均，只在0+300～0+700段见到；土黄色、灰褐色，稍湿～湿。主要为建筑和生活垃圾，局部以砾石为主，含碎砖块和有机物等。不能利用，建议清除。

第①-2层——低液限粉土：厚度0.3m～0.5m，该层分布不均，只在1-800～0-400段见到；土黄色，稍湿～湿，稍密～中密，干强度低，手捻有砂粒，无韧性，捻面有光泽。天然含水率12.8%～18.3%，天然密度1.75g/cm3～1.80g/cm3，液限 23.6%～25.4%，塑限 14.8%～16.3%，塑性指数8.8～9.1，粘粒含量8.0%～19.0%，渗透系数 2.3×10-4cm/s～4.5×10-4cm/s。该层承载力值110kPa，压缩模量6.0MPa。无腐蚀性，属冻胀性土。

第②层——砾石：埋深0.0～1.3m，厚度0.8m～1.5m。青灰色，松散～稍密，湿，天然密度2.01g/cm3～2.14g/cm3，天然含水率 1.6%～4.5%。粒径一般为5mm～20mm，最大为110mm，母岩成份为凝灰岩、花岗岩、砂砾岩等，呈棱角、次棱角状。粘聚力0kPa，内摩擦角 32°，渗透系数 1.5×10-2cm/s～3.1×10-2cm/s，强透水性。承载力值160kPa，变形模量12MPa。

第③层——粉土质砾：埋深约1.2m～2.2m，最大揭露厚度3.8m，未揭穿。青灰色，稍密，湿，天然密度 1.95g/cm3～2.10g/cm3，天然含水率6.2%～8.8%。粘聚力5kPa，内摩擦角 28°，渗透系数 4×10-3cm/s～6×10-3cm/s，中等透水性。承载力值170kPa，变形模量14MPa。

河水深0.3m～0.7m，水面低于河床0.5m～1.0m；该段地下水位埋深0.5m～1.6m，属孔隙型潜水，主要受河水与降水影响。河水补给地下水。

3 工程地质缺陷分析

3.1 土的腐蚀性

堤基土对混凝土结构、混凝土结构中的钢筋和钢结构均无腐蚀性。

3.2 环境水的腐蚀性

环境水对混凝土结构无腐蚀性。

3.3 土的冻胀性

砂卵砾石层堤基为不冻胀土，含腐植粉土质砂层弱冻胀～冻胀土。工程区季节性冻土标准冻深1.46m。

建议对堤侧墙后含腐植粉土质砂进行换填砂砾石的防冻胀处理。建议基础埋置深度不小于1.0m左右。

3.4 渗漏

堤线地层岩性主要为杂填土、低液限粉土、砾石和粉土质砾，低液限粉土的渗透系数2.3×10-4cm/s～4.5×10-4cm/s，弱透水性；砾石渗透系数1.5×10-2cm/s～3.1×10-2cm/s，强透水性；渗透系数4×10-3cm/s～6×10-3cm/s，中等透水性。

3.5 地震液化

堤基无饱和粉土，不存在地震液化问题。

3.6 边坡稳定性

堤线地层岩性主要为杂填土、低液限粉土、砾石和粉土质砾。砾石，粘聚力0kPa，内摩擦角32°；粉土质砾，粘聚力5kPa，内摩擦角28°。建议未经衬砌的土堤边坡1∶1.00～1∶1.25，亦可根据当地已有成功经验适当采用小值。粉土质砾是良好的基础持力层，杂填土应予以清除。

4 防洪堤的抗冻胀设计

根据工程地质资料分析，该工程抗冻胀主要存在原有堤防及河床上部表层有厚度为0.7m～1.5m厚的杂填土，是地质评价的主要缺陷。依据《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211—2006），进行如下设计：

4.1 设计冻深

式中，Zd——设计冻深，m；

φd——日照及遮荫程度影响系数；

φω——地下水修正系数，可按规范中式（B.1.1-3）确定；

Zm——实测历年最大冻深，m；＝1.46m；

φi——典型断面（N-S，B/H=1.0，m＝1.5）i的日照及遮荫程度修正系数，取1.05。详见《水工建筑物抗冰冻设计规范》SL211—2006；

a——系数，可根据建筑物所在的气候区（由《水工建筑物抗冰冻设计规范》图B.1.1－3查得）、建筑物计算断面的轴线走向、断面形状及计算点位置由《水工建筑物抗冰冻设计规范》表B.1.1－1查得；

β——系数，可按《水工建筑物抗冰冻设计规范》表B.1.1－2取得。

4.2 土的冻胀量

式中，Zd——设计冻深，m；

计算点的冻胀量为4.33cm，土的冻胀级别为Ⅲ级。

4.3 冻胀土的处理措施

额敏河干流河道多年平均积雪厚度大于0.3m，最大冻土深度为1.46m，因堤防冻胀级别为Ⅲ级，换填土料的厚度为0.8倍的当地最大冻深，坡面所需回填非冻胀性土的厚度为：

因此堤防迎水侧设置0.15m厚的砼面板，因而需置换0.68m厚的非冻胀土。

由于额敏县地处寒冷区，防洪堤冬季与水接触较少，水位基本保持在河底处，根据区内已建河道堤防工程经验，置换厚度多为0.30m，且现状运行良好，故本次额敏县额敏河干流防洪工程防洪堤设计置换厚度为0.30m的非冻胀土，以满足防洪堤冻胀要求。

5 结语

额敏河也木勒牧场段、城区段左右两岸防洪堤存在的主要工程地质问题为冲刷侵蚀与冻胀问题，经分析及实践经验参考，建议基础埋置深度不小于1.0m左右；另外，砂卵砾石层堤基为不冻胀土，含腐植粉土质砂层弱冻胀～冻胀土，建议对堤侧墙后含腐植粉土质砂进行换填砂砾石的防冻胀处理，置换厚度取0.3m。陕西水利